Wentylacja pasywna
Wentylacja pasywna to proces dostarczania i usuwania powietrza z pomieszczenia bez użycia systemów mechanicznych . Odnosi się do przepływu powietrza zewnętrznego do przestrzeni wewnętrznej w wyniku ciśnień wynikających z sił natury.
występują dwa rodzaje wentylacji naturalnej : wentylacja napędzana wiatrem i wentylacja napędzana wyporem . Wentylacja napędzana wiatrem wynika z różnych ciśnień wytwarzanych przez wiatr wokół budynku lub konstrukcji oraz z otworów tworzonych na obwodzie, które następnie umożliwiają przepływ przez budynek. Wentylacja sterowana wyporem występuje w wyniku kierunkowej siły wyporu, która wynika z różnic temperatur między wnętrzem a zewnętrzem.
Ponieważ wewnętrzne zyski ciepła, które powodują różnice temperatur między wnętrzem a zewnętrzem, są tworzone przez procesy naturalne, w tym ciepło pochodzące od ludzi, a wpływ wiatru jest zmienny, budynki z wentylacją naturalną są czasami nazywane „budynkami oddychającymi”.
Proces
Ciśnienie statyczne powietrza to ciśnienie w swobodnie przepływającym strumieniu powietrza i jest przedstawiane na mapach pogody za pomocą izobar . Różnice w ciśnieniu statycznym wynikają z globalnych i mikroklimatycznych zjawisk termicznych i tworzą przepływ powietrza, który nazywamy wiatrem . Ciśnienie dynamiczne to ciśnienie wywierane, gdy wiatr styka się z obiektem, takim jak wzgórze lub budynek, i jest opisane następującym równaniem:
gdzie (przy użyciu jednostek SI ):
= ciśnienie dynamiczne w paskalach , = gęstość płynu w kg/m 3 (np. gęstość powietrza ), prędkość płynu w m/s.
Oddziaływanie wiatru na budynek wpływa na wskaźniki wentylacji i infiltracji przez niego oraz związane z tym straty lub zyski ciepła. Prędkość wiatru rośnie wraz z wysokością i jest mniejsza w kierunku ziemi z powodu oporu tarcia. W praktyce ciśnienie wiatru będzie się znacznie różnić, tworząc złożone przepływy powietrza i turbulencje poprzez jego interakcję z elementami środowiska naturalnego (drzewa, wzgórza) i kontekstem miejskim (budynki, budowle). Lokalne i tradycyjne budynki w różnych regionach klimatycznych w dużym stopniu polegają na naturalnej wentylacji w celu utrzymania komfortu cieplnego w zamkniętych przestrzeniach.
Projekt
Wytyczne projektowe są oferowane w przepisach budowlanych i innej powiązanej literaturze i zawierają różne zalecenia dotyczące wielu konkretnych obszarów, takich jak:
- Lokalizacja i orientacja budynku
- Forma i wymiary budynku
- Przegrody wewnętrzne i układ
- Typologie okien , działanie, lokalizacja i kształty
- Inne typy otworów ( drzwi , kominy )
- Metody konstrukcyjne i detalowanie (infiltracja)
- Elementy zewnętrzne (ściany, ekrany)
- Uwarunkowania urbanistyczne
Poniższe wytyczne projektowe zostały wybrane z Przewodnika projektowania całego budynku , programu Narodowego Instytutu Nauk o Budownictwie :
- Maksymalizuj wentylację wywołaną wiatrem, umieszczając kalenicę budynku prostopadle do letnich wiatrów
- Szerokości strefy wentylowanej naturalnie powinny być wąskie (maks. 13,7 m [45 stóp])
- Każde pomieszczenie powinno mieć dwa oddzielne otwory nawiewne i wywiewne. Umieść wylot wysoko nad wlotem, aby zmaksymalizować efekt komina. Ustaw okna w poprzek pokoju i przesuń je względem siebie, aby zmaksymalizować mieszanie się powietrza w pomieszczeniu, jednocześnie minimalizując przeszkody w przepływie powietrza w pomieszczeniu.
- Otwory okienne powinny być obsługiwane przez mieszkańców
- Rozważ użycie clerestory lub wentylowanych świetlików.
Wentylacja sterowana wiatrem
Wentylację napędzaną wiatrem można podzielić na wentylację krzyżową i wentylację jednostronną. Wentylacja napędzana wiatrem zależy od zachowania się wiatru, interakcji z przegrodami zewnętrznymi budynku oraz od otworów lub innych urządzeń wymiany powietrza, takich jak wloty lub łapacze wiatru .
Znajomość klimatu miejskiego, czyli wiatru wokół budynków, jest kluczowa przy ocenie jakości powietrza i komfortu cieplnego wewnątrz budynków, ponieważ wymiana powietrza i ciepła zależy od parcia wiatru na elewacje. Jak widać z równania (1), wymiana powietrza zależy liniowo od prędkości wiatru w miejscu urbanistycznym, w którym realizowany będzie projekt architektoniczny. Narzędzia CFD ( obliczeniowa dynamika płynów ) i modelowanie strefowe są zwykle używane do projektowania budynków wentylowanych naturalnie. Łapacze wiatru są w stanie wspomagać wentylację napędzaną wiatrem, kierując powietrze do iz budynków.
Wentylacja sterowana wyporem
- (Aby uzyskać więcej informacji na temat wentylacji napędzanej wypornością wypornościową (zamiast wentylacji opartej na wyporności typu mieszanego), zobacz Efekt stosu )
Wentylacja wyporowa wynika z różnic w gęstości powietrza wewnętrznego i zewnętrznego, co w dużej mierze wynika z różnic temperatur. Kiedy występuje różnica temperatur między dwiema sąsiednimi objętościami powietrza, cieplejsze powietrze będzie miało mniejszą gęstość i będzie miało większą wyporność, a zatem uniesie się nad zimnym powietrzem, tworząc strumień powietrza skierowany do góry. Wentylacja wymuszona wyporem w budynku odbywa się w tradycyjnym kominku. Wentylatory pasywne są powszechne w większości łazienek i innych pomieszczeń bez bezpośredniego dostępu do zewnątrz.
Aby budynek był odpowiednio wentylowany przez wentylację wyporową, temperatura wewnątrz i na zewnątrz musi być różna. Kiedy wnętrze jest cieplejsze niż na zewnątrz, powietrze w pomieszczeniu unosi się i ucieka z budynku przez większe otwory. Jeśli otwory są niższe, to przez nie do budynku dostaje się zimniejsze, gęstsze powietrze z zewnątrz, tworząc w ten sposób wentylację wyporową. Jeśli jednak nie ma dolnych otworów, wówczas zarówno dopływ, jak i odpływ nastąpią przez otwór wysokiego poziomu. Nazywa się to wentylacją mieszającą. Ta ostatnia strategia nadal powoduje, że świeże powietrze dociera do niskiego poziomu, ponieważ chociaż napływające zimne powietrze będzie mieszać się z powietrzem wewnętrznym, zawsze będzie ono gęstsze niż powietrze wewnętrzne, a zatem opadnie na podłogę. Wentylacja napędzana wyporem zwiększa się wraz ze wzrostem różnicy temperatur i wzrostem wysokości między górnymi i dolnymi otworami w przypadku wentylacji wyporowej. Gdy obecne są zarówno otwory górne, jak i dolne, płaszczyzna neutralna w budynku znajduje się w miejscu pomiędzy otworami górnymi i dolnymi, w którym ciśnienie wewnętrzne będzie takie samo jak ciśnienie zewnętrzne (przy braku wiatru). Powyżej płaszczyzny neutralnej wewnętrzne ciśnienie powietrza będzie dodatnie i powietrze będzie wypływać z utworzonych otworów poziomu pośredniego. Poniżej płaszczyzny neutralnej wewnętrzne ciśnienie powietrza będzie ujemne, a powietrze zewnętrzne będzie zasysane do przestrzeni przez otwory poziomu pośredniego. Wentylacja sterowana wyporem ma kilka znaczących zalet: {Patrz Linden, P Annu Rev Fluid Mech, 1999}
- Nie polega na wietrze: może odbywać się w spokojne, gorące letnie dni, kiedy jest najbardziej potrzebny.
- Stabilny przepływ powietrza (w porównaniu z wiatrem)
- Większa kontrola w wyborze miejsc wlotu powietrza
- Zrównoważona metoda
Ograniczenia wentylacji wymuszonej wyporem:
- Niższa wielkość w porównaniu z wentylacją wietrzną w najbardziej wietrzne dni
- Opiera się na różnicach temperatur (wewnątrz/na zewnątrz)
- Ograniczenia projektowe (wysokość, lokalizacja otworów) i mogą wiązać się z dodatkowymi kosztami (kominy wentylacyjne, wyższe przestrzenie)
- Jakość powietrza, którą wprowadza do budynków, może być zanieczyszczona na przykład z powodu bliskości obszarów miejskich lub przemysłowych (chociaż może to być również czynnikiem wpływającym na wentylację napędzaną wiatrem)
Wentylacja naturalna w budynkach może opierać się głównie na różnicach ciśnienia wiatru w wietrznych warunkach, ale efekty wyporu mogą a) wzmocnić ten typ wentylacji oraz b) zapewnić natężenie przepływu powietrza podczas bezwietrznych dni. Wentylacja sterowana wyporem może być realizowana w taki sposób, że napływ powietrza do budynku nie zależy wyłącznie od kierunku wiatru. W tym zakresie może zapewnić poprawę jakości powietrza w niektórych typach zanieczyszczonych środowisk, takich jak miasta. Na przykład powietrze może być zasysane przez tyły lub dziedzińce budynków, unikając bezpośredniego zanieczyszczenia i hałasu elewacji ulicznej. Wiatr może zwiększyć efekt wyporu, ale może również zmniejszyć jego wpływ w zależności od jego prędkości, kierunku i konstrukcji wlotów i wylotów powietrza. Dlatego przy projektowaniu wentylacji kominowej należy wziąć pod uwagę dominujące wiatry.
Szacowanie wentylacji opartej na wyporności
Natężenie przepływu wentylacji naturalnej dla wentylacji naturalnej napędzanej wyporem z otworami wentylacyjnymi na dwóch różnych wysokościach można oszacować za pomocą tego równania:
Gdzie: Q S = Natężenie przepływu powietrza wentylacyjnego zależne od wyporu, ft³/s A = pole przekroju poprzecznego otworu, ft² (przy założeniu równej powierzchni wlotu i wylotu) C d = Współczynnik rozładowania przy otwieraniu (typowa wartość to 0,65) G = przyspieszenie grawitacyjne , około 32,2 ft/s² na Ziemi H d = Wysokość od środka dolnego otworu do środka górnego otworu, stopy T I = Średnia temperatura wewnętrzna między wlotem a wylotem, °R T O = Temperatura zewnętrzna, °R
Gdzie: Q S = Natężenie przepływu powietrza wentylacyjnego zależne od wyporu, m³/s A = pole przekroju poprzecznego otworu, m 2 (przy założeniu równej powierzchni wlotu i wylotu) C d = Współczynnik rozładowania przy otwieraniu (typowa wartość to 0,62) G = przyspieszenie ziemskie , około 9,81 m/s² na Ziemi H d = Wysokość od środka dolnego otworu do środka górnego otworu, m T I = Średnia temperatura wewnętrzna między wlotem a wylotem, K T O = Temperatura zewnętrzna, K
Ocena wydajności
Jednym ze sposobów pomiaru wydajności naturalnie wentylowanej przestrzeni jest pomiar wymian powietrza na godzinę w przestrzeni wewnętrznej. Aby wentylacja była skuteczna, musi zachodzić wymiana między powietrzem zewnętrznym a powietrzem w pomieszczeniu. Powszechną metodą pomiaru skuteczności wentylacji jest użycie gazu znakującego . Pierwszym krokiem jest zamknięcie wszystkich okien, drzwi i otworów w przestrzeni. Następnie do powietrza dodaje się gaz znakujący. Odniesienie, Amerykańskie Towarzystwo Badań i Materiałów (ASTM) Norma E741: Standardowa metoda testowa do określania wymiany powietrza w pojedynczej strefie za pomocą rozcieńczenia gazu znakującego opisuje, które gazy znakujące mogą być używane do tego rodzaju testów i dostarcza informacji o właściwościach chemicznych, wpływie na zdrowie i łatwości wykrywania. Po dodaniu gazu znakującego można użyć wentylatorów mieszających w celu jak najbardziej równomiernego rozprowadzenia gazu znakującego w całej przestrzeni. Aby przeprowadzić test rozpadu, najpierw mierzy się stężenie gazu znakującego, gdy stężenie gazu znakującego jest stałe. Następnie otwiera się okna i drzwi, a stężenie gazu znakującego w przestrzeni mierzy się w regularnych odstępach czasu, aby określić szybkość rozpadu gazu znakującego. Przepływ powietrza można wywnioskować obserwując zmianę stężenia gazu znakującego w czasie. Więcej informacji na temat tej metody badawczej można znaleźć w normie ASTM E741.
Podczas gdy wentylacja naturalna eliminuje energię elektryczną zużywaną przez wentylatory, całkowite zużycie energii przez systemy wentylacji naturalnej jest często wyższe niż w przypadku nowoczesnych systemów wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła . Typowe nowoczesne systemy wentylacji mechanicznej zużywają do pracy wentylatorów zaledwie 2000 J/m 3 , aw chłodne dni mogą odzyskać znacznie więcej energii w postaci ciepła przekazywanego z powietrza wywiewanego do świeżego powietrza nawiewanego za pomocą rekuperatorów .
Wentylacyjne straty ciepła można obliczyć ze wzoru:
Gdzie:
- to wentylacyjna strata ciepła w W
- to ciepło właściwe powietrza (~ 1000 J / (kg * K))
- to gęstość powietrza (~ 1,2 kg/m 3 )
- to różnica temperatur między powietrzem wewnętrznym i zewnętrznym w ° K lub ° C
- to sprawność odzysku ciepła - (zwykle około 0,8 z odzyskiem ciepła i 0, jeśli nie jest używane żadne urządzenie do odzysku ciepła).
Różnicę temperatur potrzebną między powietrzem wewnątrz i na zewnątrz do wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła, aby przewyższyć wentylację naturalną pod względem ogólnej efektywności energetycznej, można zatem obliczyć jako:
Gdzie:
SFP to właściwa moc wentylatora w Pa, J/m 3 lub W/(m 3 /s)
W typowych warunkach wentylacji bytowej przy sprawności odzysku ciepła 80% i SFP 2000 J/m 3 otrzymujemy:
W klimatach, w których średnia bezwzględna różnica między temperaturą wewnętrzną i zewnętrzną przekracza ~10 K, argument dotyczący oszczędzania energii przemawiający za wyborem wentylacji naturalnej zamiast mechanicznej może zostać zakwestionowany. Należy jednak zauważyć, że energia cieplna może być tańsza i bardziej przyjazna dla środowiska niż energia elektryczna. Dotyczy to zwłaszcza obszarów, w których dostępne jest ciepło z sieci ciepłowniczej .
Aby opracować systemy wentylacji naturalnej z odzyskiem ciepła, należy najpierw rozwiązać dwa nieodłączne wyzwania:
- Zapewnia efektywny odzysk ciepła przy bardzo niskim ciśnieniu napędowym.
- Fizycznie lub termicznie łączące strumienie powietrza nawiewanego i wywiewanego. (Wentylacja kominowa zwykle polega na umieszczeniu nawiewu i wywiewu odpowiednio nisko i wysoko, podczas gdy naturalna wentylacja napędzana wiatrem zwykle polega na umieszczeniu otworów po przeciwnych stronach budynku w celu wydajnej wentylacji krzyżowej).
Badania mające na celu rozwój systemów wentylacji grawitacyjnej z odzyskiem ciepła zostały podjęte już w 1993 roku, gdzie Shultz i in. zaproponowali i przetestowali konstrukcję typu komina opartą na efekcie komina z odzyskiem ciepła przy użyciu dużego rekuperatora przeciwprądowego wykonanego z blachy falistej ocynkowanej. Zarówno nawiew, jak i wywiew odbywały się przez nieklimatyzowaną przestrzeń poddasza, przy czym powietrze wywiewane było usuwane na wysokości sufitu, a powietrze dostarczane było na poziomie podłogi kanałem pionowym.
Stwierdzono, że urządzenie zapewnia wystarczający przepływ powietrza wentylacyjnego dla domu jednorodzinnego oraz odzysk ciepła ze sprawnością około 40%. Okazało się jednak, że urządzenie jest zbyt duże i ciężkie, aby było praktyczne, a wydajność odzysku ciepła zbyt niska, aby konkurować z ówczesnymi systemami mechanicznymi.
Późniejsze próby koncentrowały się głównie na wietrze jako głównej sile napędowej ze względu na jego wyższy potencjał ciśnienia. Wprowadza to jednak problem dużych wahań ciśnienia napędzającego.
Przy zastosowaniu wież wiatrowych umieszczonych na dachach pomieszczeń wentylowanych, nawiew i wywiew można umieścić blisko siebie po przeciwnych stronach małych wież. Systemy te często wyposażone są w żebrowane rury cieplne , chociaż ogranicza to teoretyczną maksymalną wydajność odzyskiwania ciepła.
Przetestowano również sprzężone z cieczą obiegowe pętle w celu uzyskania pośredniego połączenia termicznego między powietrzem wywiewanym a nawiewanym. Chociaż testy te zakończyły się pewnym sukcesem, sprzężenie cieczowe wprowadza pompy mechaniczne, które zużywają energię do cyrkulacji płynu roboczego.
Chociaż niektóre dostępne na rynku rozwiązania są dostępne od lat, deklarowana przez producentów wydajność nie została jeszcze zweryfikowana przez niezależne badania naukowe. To może wyjaśniać widoczny brak wpływu na rynek tych dostępnych na rynku produktów, które rzekomo zapewniają naturalną wentylację i wysoką wydajność odzysku ciepła.
Całkowicie nowe podejście do naturalnej wentylacji z odzyskiem ciepła jest obecnie opracowywane na Uniwersytecie w Aarhus, gdzie rury wymiennika ciepła są zintegrowane z betonowymi płytami konstrukcyjnymi między piętrami budynków.
Normy
Normy dotyczące współczynników wentylacji w Stanach Zjednoczonych można znaleźć w normie ASHRAE 62.1-2010: Wentylacja dla dopuszczalnej jakości powietrza w pomieszczeniach . Wymagania te dotyczą „wszystkich przestrzeni przeznaczonych do zamieszkania przez ludzi, z wyjątkiem tych w domach jednorodzinnych, budynkach wielorodzinnych o wysokości trzech lub mniej kondygnacji powyżej poziomu gruntu, pojazdach i samolotach”. W rewizji normy w 2010 r. Sekcja 6.4 została zmodyfikowana w celu określenia, że większość budynków zaprojektowanych z systemami do naturalnego uzdatniania pomieszczeń musi również „zawierać system wentylacji mechanicznej zaprojektowany w celu spełnienia procedur dotyczących współczynnika wentylacji lub IAQ [w ASHRAE 62.1-2010] System mechaniczny ma być używany, gdy okna są zamknięte z powodu ekstremalnych temperatur zewnętrznych, hałasu i względów bezpieczeństwa”. Norma stwierdza, że dwa wyjątki, w których budynki z klimatyzacją naturalną nie wymagają systemów mechanicznych, to:
- Otwory wentylacji grawitacyjnej, które spełniają wymagania punktu 6.4, są stale otwarte lub posiadają zabezpieczenia zapobiegające zamknięciu otworów w okresie przewidywanego użytkowania, lub
- Strefa nie jest obsługiwana przez urządzenia grzewcze lub chłodzące.
Ponadto właściwy organ może zezwolić na zaprojektowanie systemu kondycjonowania, który nie ma systemu mechanicznego, ale opiera się wyłącznie na systemach naturalnych. Odnosząc się do tego, w jaki sposób należy zaprojektować sterowanie systemami klimatyzacji, norma stwierdza, że muszą one uwzględniać środki mające na celu „właściwą koordynację działania systemów wentylacji grawitacyjnej i mechanicznej”.
Innym odniesieniem jest norma ASHRAE 62.2-2010: Wentylacja i dopuszczalna jakość powietrza w pomieszczeniach w niskich budynkach mieszkalnych. Wymagania te dotyczą „domów jednorodzinnych i konstrukcji wielorodzinnych o trzech lub mniej kondygnacjach powyżej poziomu gruntu, w tym domów produkowanych i modułowych”, ale nie mają zastosowania „do mieszkań przejściowych, takich jak hotele, motele, domy opieki, akademiki lub więzienia”.
Normy dotyczące współczynników wentylacji w Stanach Zjednoczonych można znaleźć w normie ASHRAE 55-2010: Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy. W trakcie zmian jej zakres był zgodny z jej obecnie wyartykułowanym celem, jakim jest „określenie kombinacji czynników termicznych środowiska wewnętrznego i czynników osobistych, które stworzą warunki środowiska termicznego akceptowalne dla większości mieszkańców w danej przestrzeni”. Norma została zmieniona w 2004 roku po wynikach badań terenowych z projektu badawczego ASHRAE, RP-884: opracowanie adaptacyjnego modelu komfortu i preferencji cieplnych wykazało, że istnieją różnice między naturalnie i mechanicznie uwarunkowanymi przestrzeniami pod względem reakcji termicznej użytkowników, zmian w odzież, dostępność kontroli i zmiany w oczekiwaniach użytkowników. Dodatek do normy, 5.3: Opcjonalna metoda określania dopuszczalnych warunków termicznych w naturalnie wentylowanych przestrzeniach, wykorzystuje adaptacyjny komfortu cieplnego dla budynków z klimatyzacją naturalną poprzez określenie dopuszczalnych zakresów temperatur roboczych dla przestrzeni z klimatyzacją naturalną. W rezultacie projektowanie systemów wentylacji naturalnej stało się bardziej wykonalne, co zostało uznane przez ASHRAE za sposób na dalsze zrównoważone, energooszczędne i przyjazne użytkownikom projektowanie.
Zobacz też
- Wentylacja (architektura)
- Infiltracja (HVAC)
- Ekonomizery po stronie powietrza
- Komin słoneczny
- Łapacz wiatru
- Jakość powietrza wewnętrznego
- Syndrom chorego budynku
- Ogrzewanie, wentylacja i klimatyzacja
- Inżynieria mechaniczna
- Inżynieria Architektoniczna
- Zielony budynek
- Chłodzenie pasywne
- Wentylacja w trybie mieszanym
- Dystrybucja powietrza w pomieszczeniu
- Komfort termiczny
- Klimatyzacja
- ASHRAE
- Glosariusz HVAC
Linki zewnętrzne
Uniwersyteckie ośrodki badawcze, które obecnie prowadzą badania nad wentylacją naturalną:
- Centrum Środowiska Zabudowanego (CBE), University of California, Berkeley. http://www.cbe.berkeley.edu/
- Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, Kalifornia. http://www.lbl.gov/
- Wydział Architektury, Massachusetts Institute of Technology. http://architecture.mit.edu/building-technology/program/research-topics
- Wydział Architektury, Projektowania i Planowania, Uniwersytet w Sydney, Australia. https://web.archive.org/web/20111107120122/http://sydney.edu.au/architecture/research/research_archdessci.shtml
Wytyczne dotyczące naturalnej wentylacji:
- Przewodnik projektowania całego budynku , Narodowy Instytut Nauk o Budownictwie http://www.wbdg.org/resources/naturalventilation.php
- „Natural Ventilation for Infection Control in Health-Care Settings”, raport (zawierający wytyczne projektowe) Światowej Organizacji Zdrowia dotyczący naturalnie wentylowanych obiektów opieki zdrowotnej. http://whqlibdoc.who.int/publications/2009/9789241547857_eng.pdf