Projektowanie osobistej wentylacji miejscowej

Celem wentylacji i klimatyzacji (HVAC) je st dostarczenie do pomieszczeń powietrza 0 odpowiedniej jakości oraz zapewnienie warunków cieplnych satysfakcjonujących jego użytkowników. W yzwaniem dla projektantów jest realizacja tego celu przy jednoczesnym niskim zużyciu energii.

Obecnie najczęściej klimatyzuje się cale pomieszczenia. Rozdział powietrza w pomieszczeniu projektowany jest jako wyporowy lub mieszający. Przyjmuje się, że wentylacja wyporowa zapewnia użytkownikom najlepsząjakość powietrza, szczególnie w pomieszczeniach z nie pasywnymi, ciepłymi źródłami zanieczyszczeń (Brohus 1 Nielsen1996). Jednakże, w przeciwieństwie do wentylacji mieszającej gradienty temperatury powietrza w pomieszczeniach z wentylacją wyporową są większe, gdyż w pobliżu podłogi powietrze ma dość niską temperaturę. Często w pobliżu podłogi pojawiają się też znaczne prędkości przepływu powietrza. Z tych powodów, ryzyko lokalnego dyskomfortu z powodu przeciągów i pionowej różnicy temperatur w pomieszczeniach z wentylacją w yporową jest duże (Melikov i N ielsen1989). Badania dowodzą, że powietrze z punktu widzenia jego jakości jest oceniane gorzej gdy posiada wyższą temperaturę (Fang i in.1998). W porównywanych pomieszczeniach z wentylacją mieszającą i wyporową, temperatura powietrza docierającego do strefy oddychania użytkowników była relatywnie wysoka. Jakość powietrza odczuwana przez użytkowników zwiększa się w raz z dostarczaniem powietrza o coraz większej świeżości. Przyczynia się to jednak do powodowania przeciągu i odczuwania dyskomfortu.

Pomieszczenia klimatyzowane są często wykorzystywane przez użytkowników,

’autor: Melikov A K tłum. Król M red. Trzeciakiewicz Z

148 ŚRODOWISKO WEWNĘTRZNE

0 różnych reakcjach fizjologicznych i psychologicznych, różnym ubiorze, różnej aktywności oraz indywidualnych preferencjach odnośnie temperatury i ruchu powietrza, różnym czasie reakcji na zm ieniającą się temperaturę itd. Izolacyjność cieplna ubrań użytkowników może się wahać od 0,4 do 1,2 clo i więcej, zróżnicowana również może być szybkość przemiany materii, pomiędzy 1 a 2 met, z powodu różnic w aktywności użytkowników (ASHRAE1993). Indywidualne preferencje dla temperatury powietrza w pomieszczeniach m ogą sięgać nawet 10 K (Grivel i Candas1991). Preferencje użytkowników odnoszące się ruchu powietrza m ogą się różnić nawet czterokrotnie (Melikov i in.1994a).

Tak więc, wentylowanie całego pomieszczenia podlega ograniczeniom i często nie może zapewnić każdemu użytkownikowi komfortu cieplnego i odpowiedniej jakości powietrza.

Często użytkownicy pomieszczeń z wentylacją mieszającą bądź wyporową muszą decydować się na kompromis pomiędzy preferowaniem komfortu cieplnego i jakości powietrza, ponieważ niektóre osoby są bardzo wrażliwe na ruch powietrza podczas gdy inni są czuli na jakość powietrza. Kompromis jest różny dla każdego użytkownika 1 zmienny w czasie.

W adą wentylacji całego pomieszczenia jest fakt częstej zmiany ruchu powietrza w pomieszczeniu z powodu zmiany ustawienia mebli, co może skutkować wzrostem niezadowolenia wśród użytkowników z powodu przeciągu, czy też złej jakości powietrza.

W entylacja miejscowa

Warunki środowiska wewnętrznego akceptowane przez większość użytkowników pomieszczeń m ogą być osiągnięte poprzez stworzenie możliwości generowania i kontrolowania osobistego, lokalnego środowiska. Koncepcja indywidualnie kontrolowanego mikrośrodowiska może satysfakcjonować więcej użytkowników z dwóch powodów. Po pierwsze, jakość wdychanego powietrza jest wysoka dzięki dostarczaniu świeżego powietrza bezpośrednio do strefy oddychania oraz z powodu możliwości uzyskiwania komfortu cieplnego dzięki lokalnemu ogrzewaniu lub chłodzeniu ciała.

Po drugie, z psychologicznego punktu widzenia bardzo ważna jest możliwość indywidualnego wpływania na parametry powietrza. M aleją wtedy narzekania na lokalne środowisko. Badania dow odzą że dla użytkowników ważniejsza jest możliwość kontrolowania lokalnego środowiska, niż zwiększenie liczby kontrolowanych parametrów (Bauman i in.1998). Badania wykonane w Duńskim w Uniwersytecie Technicznym pokazują że przy temperaturze powietrza w pomieszczeniu wynoszącej 28°C, liczba zadowolonych użytkowników wzrasta znacząco z 36% do 58%, gdy uzyskają możliwość indywidualnej kontroli jedynie prędkości powietrza. Termiczne odczucia użytkowników w obu badaniach były podobne.

Uwzględnianie łącznego wpływu na użytkowników jakości powietrza i komfortu cieplnego nazwane zostało TAC (z ang. Task/Ambient Conditioning). Przeanalizowano dwa zasadnicze rodzaje systemu TAC, a mianowicie z umieszczonym na podłodze nawiewnikiem ATD (z ang. A ir Terminal Device) oraz nawiewnikiem umieszczonym na biurku. Systemem ATD umieszczonym na biurku m ogą być kratki i dysze dostarczające powietrze z tylnej powierzchni biurka (Bauman i in. " 3), kratki które dostarczają powietrze z frontowej krawędzi biurka bezpośrednio na siedzącego użytkownika (Climadeskk lub nawiewniki montowane pod biurkiem, symulujące wentylację wyporową (Loomans ). Badania (Faulker i in.1 3) pokazują że TAC może poprawić jakość powietrza w strefie oddychania użytkowników pomieszczeń.

Podstawy projektowania klimatyzacji miejscowej

W projekcie klimatyzacji zapewniającym wysoką jakością powietrza i komfortu cieplnego należy wykorzystywać znajomość ruchu powietrza wokół użytkowników pomieszczeń jak również ich oczekiwań fizjologicznych.

Ruch powietrza wokół ciała ludzkiego

W spokojnym i komfortowym środowisku istnieje wokół ciała ludzkiego ruch konwekcyjny powietrza wywołany różnicą temperatury pomiędzy tem peraturą powietrza w pomieszczeniu a tem peraturą powierzchni ludzkiego ciała (temperatura ubrań

¡temperatura nagich części ciała). Przepływy konwekcyjne stają się słabe, gdy różnica temperatury jest mała. Przepływ powietrza jest wolny i laminamy z cienką warstwą przyścienną w dolnych częściach ciała ludzkiego i szybki oraz turbulentny z grubą warstwą przyścienną na wysokości głowy.

Ruch powietrza wokół ciała człowieka jest istotnym czynnikiem komfortu cieplnego i odczuwanej jakości powietrza. Temperatura skóry człowieka ulega zmianom dzięki konwekcyjnemu przepływowi ciepła spowodowanego przez ruch powietrza wokół ciała ludzkiego, co z kolei wywołuje odczucie komfortu cieplnego. Konwekcja swobodna transportuje powietrze, które może być zanieczyszczone w dolnych częściach pomieszczenia, do strefy oddychania. Powietrze to jest również nośnikiem biozanieczyszczeń oraz pary wodnej wydzielanej przez ciało człowieka. Ponadto oddychanie wywołuje ruch powietrza spowodowany wydechem. Przy niskim poziomie aktywności człowieka, prędkość wydychanego powietrza z każdego otworu nosowego wynosi 1,85 m/s (Hyldgaard1994). W tym przypadku oba nozdrza tworzą dwa niezależne strumienie, które rozpraszają się w powietrzu w sąsiedztwie strefy oddechowej.

Wzajemne oddziaływanie pomiędzy wentylacją m iejscową a przepływem spowodowanym konw ekcją swobodną wokół ludzkiego ciała i przepływem powietrza wydychanego oraz wzajemne oddziaływanie pomiędzy przepływem spowodowanym konwekcją sw obodną a przepływem spowodowanym wydechem ma pierwszorzędne znaczenie dla uzyskiwania komfortu cieplnego i jakości powietrza. Wzajemne oddziaływanie je st zależne od przepływu wywołanego konwekcją swobodną i od grubości jego warstwy przyściennej, od charakterystyk przepływu tworzonego przez wentylację miejscową (prędkość średnia, profile prędkości, intensywność turbulencji, kierunek, temperatura, itd.), posturę, kształt i powierzchnię ekspozycji ciała użytkownika, itd.

Wyniki badań przedstawiane przez Hyldgaarda1994 pokazują, że strumienie wydychane wpływ ają na przepływ wywołany konwekcją swobodną. Bardzo słaby przepływ powietrza z prędkością 0,1 m/s zakłóca przepływ wywołany konwekcją swobodną przedniej części ciała człowieka i powoduje, że wydychane powietrze w postaci dwóch strug powraca w kierunku ciała człowieka. Podobny schemat przepływowy zaobserwowano w przypadku, gdy użytkownikami pomieszczeń są osoby palące. Poziomy przepływ powietrza od przodu z niewielką prędkością rów ną 0,1 m /s zapobiega powstawaniu przepływu wywołanego konwekcją swobodną w przedniej górnej części ciała. Pozwala również na usuwanie biozanieczyszczeń wydzielanych przez ciało człowieka. Wyniki przedstawione przez Melikova i Zhou’a ) potwierdzają także, że pojawienie się bardzo słabego przepływu zakłóca przepływ wywołany konwekcją swobodną wokół ciała i powoduje znaczący wzrost strumienia ciepła z oddawanego przez powierzchnię ciała. H yldgaard1 94 sugerował także, że jakość wdychanego powietrza jest

150 ŚRODOWISKO WEWNĘTRZNE

niska przy przepływie powietrza z boku ciała człowieka z powodu turbulizacji powietrza przez ramiona w czasie gdy osiąga ono strefę oddychania.

Analiza ruchu powietrza wokół ciała człowieka wykazuje, że przepływ świeżego powietrza dostarczanego z nawiewnika zlokalizowanego przed użytkownikiem jest rozwiązaniem optymalnym. W tym przypadku, wdychanie świeżego powietrza będzie możliwe nawet przy bardzo niskiej prędkości powietrza wynoszącej 0,1 m/s.

Odczucia człowieka

Odczucia człowieka odgrywają istotną rolę w projektowaniu środowiska sterowanego indywidualnie. Prędkość i temperatura powietrza generowanego przez wentylację m iejscową w pobliżu użytkownika posiadają wpływ zarówno na komfort cieplny, jak również na jakość powietrza. Wyniki badań przedstawione przez Fanga i in.1998a' 1998b wykazują, że ludzie oceniają źle powietrze gdy wzrasta jego temperatura i wilgotność. Ten wpływ zmniejsza się wraz ze wzrostem poziomu zanieczyszczenia powietrza. Nie zaobserwowano istotnych różnic między oceną dokonywaną natychmiast, a oceną po 20 minutach przebywania.

Według danych podanych przez Fang’a i in.1998, odczuwaną jakość czystego powietrza akceptuje 90% użytkowników pomieszczeń, gdy temperatura jest niższa od 23°C, a wilgotność względna wynosi około 30%. Stąd więc, temperatura powietrza wynosząca 23°C jest najwyższą dopuszczalną temperaturą powietrza w strefie oddychania człowieka. Analiza dostępnych wyników pozwala przypuszczać, że niektóre osoby akceptują temperaturę powietrza wynoszącą nawet 16°C (Jones1998, Melikov i in1994a).

Ostatecznie należy jednak przyjąć jako dolną granicę temperatury wdychanego powietrza temperaturę 18°C. Istotny jest fakt, że w zależności od rozwiązania nawiewnika, może wystąpić różnica pomiędzy tem peraturą powietrza wdychanego a temperaturą powietrza nawiewanego.

Reakcja człowieka na ruch powietrza jest następnym czynnikiem, który należy uwzględniać przy projektowaniu wentylacji miejscowej. Przepływ powietrza może być przyjemny przy wysokiej temperaturze powietrza w pomieszczeniu, a może powodować nieprzyjemne uczucie przeciągu przy niskich temperaturach. Nieprzyjemne uczucie przeciągu wzrasta kiedy temperatura przepływającego powietrza obniża się i wzrasta prędkość oraz intensywność turbulencji (Fanger i in.198 ). Badania przedstawione przez Toftuma i in.1997 w ykazują że przy temperaturze powietrza w pomieszczeniu wynoszącej 20°C przepływ powietrza z dołu i z przodu powoduje większy dyskomfort spowodowany przeciągiem, niż przepływ powietrza w jego górnej części , podczas gdy przy wysokiej temperaturze powietrza wynoszącej 26°C przepływ powietrza z przodu rzadko powoduje dyskomfort spowodowany przeciągiem, nawet przy prędkości powietrza wynoszącej 0,4 m/s. Udowodniono również, że konwekcyjne chłodzenie górnych części ciała przez strugi nieizotermiczne jest efektywną drogą rozpraszania ciepła z ciała ludzkiego i zapewnienia komfortu przy wysokich temperaturach powietrza (Melikov i in.l994b). Przy wysokiej temperaturze powietrza w pomieszczeniu niektórzy użytkownicy będą stosować wentylację m iejscow ą do chłodzenia ciała, zwiększając prędkości powietrza lub obniżając jego temperaturę. Użytkownicy m ogą stosować różne kombinacje tych dwóch parametrów

aby osiągnąć stan komfortu cieplnego.

Oprócz przeciągu, znaczna prędkość przepływu i intensywna turbulencja mogą powodować intensywne mieszanie nawiewanego powietrza zewnętrznego z zanieczyszczonym, pochodzącym od użytkowników. Przyczynia się to do pogarszania jakości wdychanego przez nich powietrza. Odczucie jakości powietrza pogarsza się

również przy wzroście temperatury powietrza, spowodowanego intensywnym mieszaniem.

Dlatego bardzo ważne jest aby intensywność turbulencji w przepływie generowanym przez wentylację m iejscow ą była tak niska, jak to tylko możliwe.

Zalecany w wentylacji miejscowej jest przepływ powietrza od przodu (przez duży otwór), który pokrywa górną część ciała człowieka. Tak więc twarz człowieka powinna znajdować się w środku przepływu powietrza świeżego, a odczuwana jakość powietrza oraz komfort cieplny będą w niewielkim tylko stopniu uzależnione od poruszania się użytkowników pomieszczeń. W warunkach izotermicznych, przy temperaturze powietrza wynoszącej 26°C przepływ od przodu z prędkością 0,6^0,7m/s może okazać się niezbędny dla niektórych użytkowników. Jednakże użytkownicy rzadko wybierają lokalną prędkość na poziomie 0,6^0,7m /s kiedy temperatura przepływającego powietrza jest niższa od 23°C.

W iększość dostępnej wiedzy na temat oczekiwań ludzi w stosunku do lokalnego mchu powietrza, szczególnie w granicach temperatury komfortu, dotyczy warunków izotermicznych. W iedza o oczekiwaniach ludzi przy przepływach nieizotermicznych jest niewielka i wymaga poznania.

Poza początkowymi warunkami przepływu powietrza (intensywność turbulencji, rozwiązanie nawiewnika itd.), rozdział powietrza dostarczanego przez wentylację miejscowąjest uzależniony od różnicy temperatur powietrza w pomieszczeniu i powietrza nawiewanego, jak również od prędkości powietrza nawiewanego. Przy dużej różnicy temperatury i małej prędkości początkowej powietrze nawiewane przyspiesza w kierunku powierzchni biurka, od przodu użytkownika. Tak więc dostarczane świeże powietrze może nie trafić prosto do strefy oddychania. Efekt ten był bardzo szczegółowo rozważany podczas projektowania wentylacji miejscowej. Jednym ze sposobów zmniejszenia efektu wyporu jest utrzymanie różnicy temperatur na możliwie niskim poziomie np. niższym niż 3K.

Akceptowalna różnica pomiędzy temperaturą powietrza w pomieszczeniu a temperaturą powietrza dostarczanego jest różna dla większości użytkowników i jest rezultatem ich odporności na dyskomfort spowodowany przeciągiem i asymetrią promieniowania.

Zwykle wysoka jakość środowiska uzyskiwana jest w przestrzeniach z zawansowanym technicznie układem sterowania lokalnym środowiskiem. Zgodnie z normami dotyczącymi klimatu wewnętrznego, temperatura powietrza powinna mieścić się w granicach temperatury komfortu dla powietrza w pomieszczeniu (20-K26°C).

W niektórych przypadkach można dopuścić temperaturę powietrza na poziomie 28°C.

Oczekiwania ludzi w stosunku do warunków chwilowych, występujących w pomieszczeniach są następnym czynnikiem, który musi być brany pod uwagę przy projektowaniu lokalnego środowiska dostosowanego do wymagań poszczególnych użytkowników. Badania w ykazują że użytkownicy z czasem uczą się stosować różne, sposoby sterowania warunkami w celu osiągnięcia komfortu, szczególnie gdy spędzają w miejscu pracy relatywnie dużo czasu (Bauman i in .1998, M elikov i in.1" ). Niektórzy użytkownicy m ogą często opuszczać swoje miejsce pracy, aby wykonać jakąś inną czynność. Po o powrocie m odyfikują oni szybko mikro-środowisko swojego miejsca pracy, żeby dopasować je do ich nowych oczekiwań cieplnych. Tak więc są oni poddawani chwilowym parametrom środowiska. Pod wpływem chwilowych warunków, np. zmian temperatury powietrza, w pierwszej kolejności zmianom podlega temperatura w receptorach termicznych, a po dopiero jakim ś czasie temperatura ciała. Kundsen i Fanger1990 wykazali, że w granicach temperatury komfortu powietrza ludzie wystawieni aa stopniowy spadek temperatury, odczuwali znaczący chłód na początku, a nie po jakimś

152 ŚRODOWISKO WEWNĘTRZNE

czasie. Indywidualne sterowanie przyczynia się do szybszych zmian w mikro-środowisku i zapobiega przekroczeniom dopuszczalnych wartości. Powolne zmiany środowiska skutkują ciągłą interwencją użytkowników, wzrostem zadowolenia z warunków cieplnych i najprawdopodobniej przyczyniają się do wzrostu produktywności.

Ważne jest również to, aby użytkownicy posiedli odpowiednią wiedzę na temat systemu miejscowej klimatyzacji i rozumieli jego znaczenie w kształtowaniu komfortowego środowiska.

Wytyczne projektowania

Przy projektowaniu systemu wentylacji miejscowej należy brać pod uwagę następujące uwagi:

* Struga powietrza powinna być skierowana od przodu

■ Nawiewniki powietrza powinny posiadać duży przekrój i generować przepływ o niskiej turbulencji.

■ Powinna być możliwość indywidualnego sterowania temperatury powietrza w strefie centralnej między 18 a 23°C.

■ Wilgotność względna dostarczanego powietrza powinna wynosić około 30%.

■ Powinna być możliwa indywidualna kontrola prędkości powietrza w strefie centralnej aż do 0,6m/s,

* Nadwyżka temperatury powietrza nawiewanego powinna być niższa od 3K

■ System powinien szybko reagować na zmianę parametrów początkowych.

Wentylacja o niskiej entalpii - strategia projektowania

Użytkownicy pomieszczeń m ogą korzystać z klimatyzacji miejscowej, zarówno w środowisku komfortowym jak i w środowisku o temperaturze powyżej 28°C. Główną ideą wentylacji o niskiej entalpii, poza możliwością indywidualnego sterowania, jest wywołanie komfortu i satysfakcji u większości użytkowników. Optymalne zastosowanie taka wentylacja będzie m iała ona w zakresie temperatur komfortu. Pod tymi warunkami wentylacja miejscowa może być stosowana w pomieszczeniach z lub bez mechanicznego systemu HVAC. Fanger1997 zaleca projektowanie systemów HVAC o niskiej entalpii powietrza w pomieszczeniu, tj. o niskiej temperaturze powietrza i wilgotności względnej.

Przypadek 1: warunki zimowe - Klimatyzacja miejscowa z lub bez wentylacją ogólną Temperatura powietrza w pomieszczeniu jest utrzymywana na poziomie 20-^21°C.

Wentylacja miejscowa dostarczająca powietrze świeże o tej samej lub niewiele niższej temperaturze powoduje podniesienie odczuwanej jakości powietrza i chłodzi „najbardziej rozgrzanych” użytkowników. Użytkownicy, którzy odczuwają chłód m ogą korzystać z ogrzewania miejscowego (Melikov i in 1998).

Przypadek 2: warunki letnie - Klimatyzacja miejscowa z wentylacją ogólną

Temperatura powietrza w pomieszczeniu jest utrzymywana na maksymalnym poziomie 26°C. Powietrze świeże dla wentylacji miejscowej o temperaturze 23°C jest doprowadzane w pobliże użytkownika z niewielką prędkością 0,2-M),3m/s. „Najbardziej rozgrzani” użytkownicy m ogą zwiększać prędkość przepływu powietrza w wentylacji miejscowej.