ěrání, limaiace, chlaení Ing. Marin POSPÍŠIL Absolven ČUT, Faula srojní Úsav echniy prosředí Způsoby návrhu aplavovacího věrání pro adminisraivní prosory a jejich porovnání Úsav echniy prosředí Proposed Mehods of Displacemen enilaion in Adminisraive Spaces and Their Comparison Recenen Ing. Jiří Frýba Článe obsahuje áladní informace o aplavovacím věrání. Pojednává o jeho výhodách, nevýhodách a omeeních. Dále popisuje působy návrhu sysému. následující čási se abývá experimenálním měřením v omoře, erá má předsavova ancelářsý prosor. Z experimenu vyplývá, že na epelný omfor vniřního prosředí má nejvěší vliv veriální eploní gradien. ýsledy měření jsou porovnány s jednolivými působy návrhu a na jejich áladě je doporučen nejpřesnější působ návrhu. ýsledy měření jsou aé porovnány s day ísanými e simulace CFD. Ze srovnání vyplývá shoda mei měřením a simulací. Klíčová slova: aplavovací věrání, návrh aplavovacího věrání, simulace CFD This aricle includes fundamenal informaion concerning displacemen venilaion. I discusses is advanages, disadvanages and limiaions. I describes he mehods of he sysem design. The following secion deals wih experimenal measuremen aen in he chamber, which represens an office area. The experimen shows ha he greaes impac of hermal comfor is on he verical emperaure gradien. The resuls of he experimen are compared wih various design mehods and according o hem are recommended he mos accurae mehod of he displacemen venilaion design. The resuls of he experimen are also compared wih he values obained from CFD simulaions. The comparison shows he accordance beween he measuremen and he simulaion. Key words: displacemen venilaion, design of displacemen venilaion, CFD simulaion 1. ÚOD současnosi se i v naší republice ačíná více používa v adminisraivních objeech aplavovací věrání (onačované aé jao drojové). Zaplavovací věrání oiž umožňuje sníži množsví energie pořebné na úpravu a dopravu věracího vduchu oproi lasicému směšovacímu věrání. Disribuce vduchu aplavováním má oproi lasicému směšovacímu věrání svá specifia i ohledně proječního návrhu. Způsoby návrhu jsou uvedeny dále a na áladě experimenu a simulace CFD bude vybrán nejpřesnější působ proječního návrhu. Záladní popis aplavovacího věrání Zaplavovací věrání je aloženo na využií rodílu huso vduchu v prosoru (eplejšího) a vduchu přiváděného (chladnějšího). Při omo věrání se čersvý chladnější vduch přivádí malými rychlosmi přímo do pobyové oblasi. hledem e své věší husoě se drží při podlae, dosává se hluboo do věraného prosoru a vyěsňuje sávající již ohřáý vduch s menší husoou (čersvý vduch aplavuje prosor). Od drojů epla se vduch ohřívá a v přiroených onvečních proudech soupá e sropu, de je odsáván. prosoru proo docháí e sraifiaci eploy. Typicý veriální průběh eploy je v obr. 1. Ing. Marin Pospíšil (1985) Absolven ČUT v Prae, Faula srojní, Úsav echniy prosředí (2010). Doorand na Úsavu echniy prosředí Fauly srojní, ČUT v Prae. případě, že droj epla je aé drojem šodlivin, docháí i e sraifiaci oncenrací šodlivin, proože vniající šodliviny jsou unášeny onvečními proudy nad droje šodlivin, poud nejsou při dané eploě specificy ěžší než oolní vduch. dýchací óně člověa (v oolí nosu a ús) je obvyle při aplavovacím věrání oncenrace šodlivin nižší než ve sejné výšce ve bývajícím prosoru, proože onveční proudy vduchu soupající podél ěla s sebou unášejí čisý vduch od podlahy mísnosi. Obr. 1 eriální průběh eploy [3] ýhody při sejné valiě vduchu v dýchací óně člověa můžeme přivádě výraně menší průoy čersvého vduchu (asi 70% průo vi [2]) oproi směšovacímu věrání obvyle nižší laová ráa výusí obvyle nižší aerodynamicý hlu generovaný vyúsou možnos beproblémové regulace proměnným průoem vduchu nižší inenia urbulence přiváděného vduchu obvyle vyšší eploa přiváděného vduchu než při chlaení směšovacím věráním delší doba využií chlaení venovním vduchem ( volné chlaení ) vhledem vyšší eploě přiváděného vduchu vyšší chladicí faor chladicího aříení Nevýhody před vyúsou se nacháí oblas s vysoým riiem vniu průvanu (v. přilehlá oblas), erá nesmí asahova do oblasi s dlouhodobým pobyem sěnové a volně sojící vyúsy abírají podlahovou plochu 185
vyúsami nele plnohodnoně vyápě (přiváděný eplý vduch rychle soupá e sropu a nedosává se dál do prosoru) aplavovací věrání je nevhodné pro prosory se sropem nižším než 3m nele je použí v případech, dy šodliviny mají věší husou než vduch je nevhodné pro odvod epelné áěže vyšší než 70 až 90 W/m 2 podlahové plochy nele je použí v případech, dy docháí silnému mechanicému promíchání vrsev 2. NÁRH ZAPLAOACÍHO ĚTRÁNÍ Pro návrh aplavovacího věrání do adminisraivních prosorů musíme ná poče osob, požadovanou eplou v pobyové óně p,celovouepelnou áěž Q prosoru, případně poče a výon vniřních drojů epla a veriální eploní gradien v pobyové óně (vi obr. 1) definovaný jao: Δ g h p h h ýša oníů nad podlahou h je obvyle udávána 0,1 m. Pro výpoče ješě pořebujeme urči výšu hlavy nad podlahou h h, ve eré aé sanovujeme eplou v pobyové óně p. U ancelářsých prosor (sedící osoby) je nejčasěji uváděná výša 1,1 m. prosorech, de se pracuje převážně ve soje, je pa ao výša 1,8 m. Hodnou gradienu Δ g volíme na áladě požadavů na epelný omfor, např. podle normy ČSN EN ISO 7730 [6]. Hodnoa gradienu Δ g se obvyle pohybuje v romeí 1,5 až 2 K/m, v exrému až do 3 K/m. Návrh podle Sisada [2] Při omo návrhu vycháíme e voleného gradiena Δ g a idealiovaného 50% veriálního roložení eplo. 50% veriální roložení eploy namená, že ve výšce oníů h bude eploa arimeicým průměrem eplo p a od. Dalším předpoladem je lineární veriální průběh eploy od výšy h až e sropu. Teplou odváděného vduchu pa určíme e vahu: + ( h h ) Δ (2) od p h g Z definice 50% rodělení veriální eploy sanovíme eplou přiváděného vduchu: 2( h h )Δ (3) p od g Z eplo přiváděného p a odváděného od vduchu sanovíme průo vduchu pro odvod epelné áěže Q : 3600 Q ρ c ( ) od p Posup návrhu na áladě výpoču beroměrné eploy Θ ve výšce oníů Teno návrh vycháí posupu navrženého Chenem, Glicsmanem a Yuanem [3]. Na áladě požadované eploy v pobyové óně p a eploního gradienu Δ g vypočíáme eplou v úrovni oníů: Δ ( h h ) Δ (5) p h p h g Chen, Glicsman a Yuan [3] experimenálně sanovili průo přiváděného vduchu jao: (1) (4) a Q + a0 Q 0 + a Q 3600 ρ c Δ ( h h ) i i e e g h, (6) de hodnoy součinielů disribuce epelné áěže nabývají hodno: a i 0,295, a o 0,132 a a e 0,185. Pro výpoče pořebujeme dál urči beroměrnou eplou ve výšce oníů definovanou jao: p Θ od p Podle Mundové [4] je beroměrná eploa rovna: Θ 1 ρ c 1 1 + + 1 3600 A α α s (7), (8) de je na áladě shody s měřením doporučená hodnoa součiniele přesupu epla sáláním α s 5 W/(m 2.K) a onvecí α 4 W/(m 2.K). Teploa přiváděného vduchu pa bude: Q Θ 3600 ρ c p Teplou odváděného vduchu sanovíme rovnice: od 3600 Q ρ c + p (9) (10) Na ávěr ješě onrolujeme, da hodnoa průou čersvého vduchu souhlasí s průoy předepsanými legislaivou. Návrh podle požadavů na vysoou valiu vduchu Teno působ návrhu vycháí oho, že nad epelnými droji docháí e vniu onvečních proudů, ve erých s výšou narůsá průo vlivem srhávání (induce) vduchu oolí. e výšách, de je průo ěcho onvečních proudů věší než průo přiváděného vduchu, docháí obracení onvečních proudů a jejich směšování se vduchem v nižších vrsvách. Poud je v určié výšce nad drojem epla průo onvečního proudu sejný jao průo přiváděného vduchu, e směšování praicy nedocháí a ohřáý vduch i se šodlivinami odcháí do vyšších vrsev. Při návrhu proo pořebujeme urči průoy vduchu všech onvečních proudů nad droji epla ve věraném prosoru ve výšce dýchací óny člověa. Průoy vduchu můžeme spočía e vahů uvedených např. Sisadem v [2], Chenem, Glicmanem a Yuanem v [5], nebo využí abelované hodnoy. Průo přiváděného vduchu se pa rovná: n ( n ) i 1 (11) Teploy přiváděného a odváděného vduchu pa můžeme sanovi bu podle 50% rodělení veriálního průběhu eplo, nebo podle beroměrné eploy Θ, de nahradíme rovnici (6) rovnicí (11). Zároveň onrolujeme i eploní gradien Δ g. Posupy podle firemních podladů Každý výrobce má obvyle svůj vlasní působ návrhu. Jedná se posupy aložené na výsledcích vlasních experimenů. Nečasěji se můžeme sea s graficopočením působem návrhu a návrhem firemním sofwarem. Při grafico-počením návrhu jsou obvyle vsupními veličinami výša prosoru, měrný chladicí výon a (nebo) měrný průo vduchu. Obě hodnoy jsou vahovány na podlahovou plochu. ýsupem nomogramů jsou obvyle hodnoy eploního gradi- 186
enu Δ g a rodíl eplo od p nichž je možné sanovi další pořebné veličiny. 3. EXPERIMENT A SIMULACE Cílem experimenu a simulace bylo ověři, da jsou pro poloruhovou aplavovací výus Lindab CHA 1207 dodrženy paramery mísního omforu a da jsou naměřené hodnoy ve shodě s hodnoami navrženými. Experimen byl usuečněn v měřicí omoře v laboraoři Úsavu echniy prosředí na Faulě srojní ČUT v Prae. Počíačová simulace byla spočíána ve výpočení učebně éhož Úsavu. Během experimenu byla v měřicí omoře v něolia mísech měřena ermoanemomery HT-412 rychlos vduchu a supeň urbulence a čidly P100 byla měřena eploa. omoře byla aé měřena eploa suchého a morého eploměru pro jišění relaivní vlhosi vduchu. Dále bylo nuné měři průo přiváděného vduchu provoní clonou Lindab FMUDR 100 a eplou vně omory. Uspořádání měřicí omory Měřicí omora e sendvičových panelů a její vybavení, eré předsavovalo ancelář se dvěma sedícími pracovníy, je na obr. 2. Komora byla 3,6 m široá, 4,2 m dlouhá a 3 m vysoá. Plocha podlahy A byla 15,12 m 2. omoře byly umísěny dva sandardní solní počíače s moniory s aodovými rubicemi, dvě žárovami vyhřívané figuríny e SPIRO porubí, sojanová lampa válcového varu, nebyný nábye a měřicí aříení. Každý počíač měl epelný výon 115 W, aždá figurína měla epelný výon 75 W a sojanová lampa 55 W. Celová vniřní áěž byla Q 435 W, měrná áěž 28,8 W/m 2. Měření edy předsavovalo ancelář poue s vniřní epelnou áěží. Přívod vduchu ajiš ovala poloruhová aplavovací vyúsa umísěná uprosřed raší sěny na podlae. Za rycím perforovaným plechem vyúsy se nacháejí samosaně nasavielné (oočné) rysy, eré umožňují individuální nasavení geomerie přilehlé óny. ýsledy měření odpovídají aovému nasavení ryse, dy směřuje nejvěší čás průou vduchu do sran (ve firemních podladech onačené jao large diffusion). duch omory byl odváděn ovorem uprosřed raší sěny 0,295 m pod sropem přímo do prosoru laboraoře. Celem 16 čidel ermoanemomerů bylo umísěno na dvou sojanech. Umísění ěcho sojanů je parné obr. 2, de čidla na sojanech jsou vynačena hvědičami. Čidla na obou sojanech byla umísěna ve výšách v romeí 0,050 až 1,8 m nad podlahou. Na řech veriálních sojanech bylo dále umísěno 30 čidel eploy P100.. Jejich umísění je aé parné obr. 2, de jsou řady vynačeny řížy. Čidla na sojanech onačených jao1a2bylaromísěna ve výšách v romeí 0,025 až 2,11 m nad podlahou, na sojanu onačeném 3 v romeí 0,025 až 2,9 m. Další čidlo Tab. 1 Navržené průoy a eploy při experimenu [1] P100 bylo osaeno ve vyúsce pro měření eploy přiváděného vduchu, poslední čidlo pa bylo v odvodním ovoru. Návrh průoů vduchu omoře byly měřeny podmíny pro ři průoy přiváděného vduchu. Průoy pro volenou onfiguraci omory byly vypočíány podle posupu sanoveného Sisadem [2], na áladě výpoču beroměrné eploy Θ ve výšce oníů a podle požadavů na vysoou valiu vduchu. Při výpoču podle požadavů na vysoou valiu vduchu jsou pro výpoče průoů onvečních proudů použiy vahy uvedené v [5] a veriální průběh eploy podle Sisada. Dalšími vsupními hodnoami byla eploa v pobyové óně h 23 C, výša h h 1,1 m a maximální eploní gradien Δ g 1,5 K/m. ypočíané průoy a eploy jsou v ab. 1. Popis simulace Pro výpoče simulace CFD byl použi program Fluen, pro vyvoření geomerie program Gambi. Simulován byl průo vduchu o hodnoě 290 m 3 /h návrh odpovídá požadavu na vysoou valiu vduchu. Geomerie a orajové podmíny byly shodné jao při měření s průoem vduchu 290 m 3 /h. hledem omu, že při měření byla v omoře vyšší eploa než v jejím oolí, bylo do modelu nuné ahrnou i ím vnilou epelnou ráu. ypočíaná epelná ráa omory byla přibližně 43 W. Zráový epelný o byl apočíán do epelných bilancí vniřních povrchů sěn, podlahy a sropů. případě adání vyúsy bylo nuné jednodušení, proože suečná výsupní rychlos vyúsy nebyla rovnoměrná. Povrch vyúsy byl proo rodělen do ří ploch (čelní a dvou bočních), ve erých byl nadefinován rovnoměrný přívod vduchu. ýsledné hodnoy Nejdůležiější naměřené eploy a eploy odečené e simulace v mísech čidel na sojanu číslo 3 jsou uvedeny v ab. 2. eriální průběhy eplo e sejných čidel (mís) jsou aé uvedeny v obr. 3, de jsou vyneseny i hodnoy návrhové a hodnoy ísané e simulace. Tab. 2 Nejdůležiější výsledné eploy v mísě řady 3 [1] Obr. 2 Schéma měřicí omory 187
Z výsledů vyplývá, že při návrhu podle beroměrné eploy Θ ( 254 m 3 /h) požadavům a podle nich na vysoou valiu vduchu ( 290 m 3 /h) byly dodrženy požadavy na velmi vysoou epelnou pohodu v prosředí. Too neplaí v případě návrhu podle Sisada ( 149 m 3 /h), de nejvěší negaivní vliv na epelnou pohodu má vysoý veriální eploní gradien, respeive velmi níá eploa přiváděného vduchu a oho plynoucí níá eploa ve výšce oníů. Ze srovnání navržených a naměřených eplo (ab. 1, ab. 2 a obr. 3) je řejmé, že nejlepší shoda mei návrhovými a naměřenými hodnoami byla jišěna při návrhu podle výpoču beroměrné eploy Θ ( 254 m 3 /h). Dále je parné, že rodíl eplo Δ se u vypočených a naměřených hodno neshoduje. Teno rodíl byl působen epelnou ráou omory, vi apiola Popis simulace. Obr. 3. eriální průběh eplo v mísě řady 3 [1] Teploy ísané e simulace jsou v dobré shodě s naměřenými, rodíl se pohybuje do 20 %. případě porovnání rychlosí le vrdi, že i dyž výrané shodě nedocháí, řádově si hodnoy odpovídají. Příčinou ěcho rodílů je řejmě schemaicé adání vyúsy a deformace buně výpočové síě, e erému nevyhnuelně docháí při použií a složié geomerie. Naměřené rychlosi vduchu před figurínami byly při všech průocích menší než 0,08 m/s. Pro všechny průoy vduchu byly vyšší rychlosi naměřeny před druhou vdálenější figurínou. Absoluně nejvyšší rychlos byla naměřena před druhou figurínou ve výšce 0,025 m nad podlahou při průou 149 m 3 /h. Z naměřených rychlosí, ineni urbulence a eplo před oběma figurínami bylo vyhodnoceno riio vniu průvanu jao proceno nespoojených osob DR [6] a proceno nespoojených s veriálním eploním gradienem PD [6]. Při průocích 254 až 290 m 3 /h byla hodnoa DR pro obě figuríny nižší než 3,6 % a hodnoa PD nižší než 1,2 % (maximální gradien Δ g 1,5 K/m, minimální eploa ve výšce oníů 21,8 C). To vypovídá o vysoé valiě prosředí, eré by s reervou splnilo riéria pro nejlepší aegorii prosředí A podle [6]. Při průou 149 m 3 /h byla nejvyšší hodnoa uaaele DR 5,1 % a uaaele PD 7 % (gradien Δ g 3,7 K/m, eploa ve výšce oníů 19,8 C). Obě hodnoy se ýaly mísa první figuríny. omo mísě by pa byla aegorie prosředí C (nejhorší) podle [6]. Na obr. 4 jsou vynačeny oblasi onsanních eplo v rovině podélné osy omory ísané e simulace. Barevná supnice předsavuje rosah eplo 293 až 300 K (19,85 až 26,85 C), není v ní edy ahrnua povrchová eploa figurín (pomyslná oblas a červenými oblasmi). Obr. 4 jasně uauje eploní sraifiaci v prosoru i onveční proudy nad figurínami. 4. YHODNOCENÍ Obr. 4. Oblasi onsanních eplo v rovině podélné osy omory, vyúsa v pravém dolním rohu 5. ZÁĚR Pro praicé použií le edy doporuči návrhový posup navržený Chenem, Glicsmanem a Yuanem [3] na áladě návrhu beroměrné eploy Θ odvoené Mundovou [4], proože pro onréní nasavení rysy Lindab CHA je nejlepší shoda mei navrženými a naměřenými hodnoami. hledem omu, že i vyúsy osaních výrobců umožňují podobné nasavení, le předpoláda, že eno návrhový posup je možné použí i pro ně. Z měření aé jasně vyplývá, že při návrhu správným posupem se v pobyové oblasi nemusíme při aplavovacím věrání obáva vniu průvanu. Paramerem s nejvýranějším vlivem na epelnou pohodu je veriální eploní gradien v pobyové oblasi, erý je ávislý na průou přiváděného vduchu, a eploě přiváděného vduchu. Dále bylo ověřeno, že pro řešení aplavovacího věrání je možné aé použí simulaci CFD. Použié načy a jednoy A podlahová plocha mísnosi [m 2 ] DR procenuální podíl lidí oběžovaných průvanem [%] PD procenuální podíl nespoojených lidí [%] Q celové epelná áěž prosoru [W] Q d epelná áěž vniřních drojů epla předávána onvecí [W] Q e epelná áěž vnější prosupem a sluneční radiací [W] Q i epelná áěž vniřní [W] Q o epelná áěž od sropního osvělení [W] objemový průo přiváděného vduchu [m 3 /h] průo onvečního proudu vduchu nad drojem epla ve výšce dýchací óny [m 3 /h] a e součiniel disribuce vnějších epelných isů do pobyové óny [-] a i součiniel disribuce vniřních epelných isů do pobyové óny [-] a o součiniel disribuce epelných isů od sropního osvělení do pobyové óny [-] c měrná epelná apacia vduchu při onsanním lau [J/(g.K)] h výša mísnosi [m] h výša oníů nad podlahou prosoru [m] h h výša hlavy nad podlahou prosoru [m] a eploa vduchu [ C] eploa v úrovni oníů osob [ C] od eploa odváděného vduchu [ C] p eploa přiváděného vduchu [ C] p eploa v pobyové óně (ve výšce hlavy člověa) [ C] v měrný průo vduchu [l/(s.m 2 )] α součiniel přesupu epla onvecí [W/(m 2.K)] součiniel přesupu epla sáláním [W/(m 2.K)] α s 188
Δ rodíl eplo mei přiváděným odváděným vduchem [K] Δ g veriální eploní gradien v pobyové óně [K/m] Kona na auora: marin.pospisil@fs.cvu.c Použié droje: [1] Pospíšil, M., Disribuce vduchu aplavováním. Praha: ČUT FS, 2010, diplomová práce, 87 s. [2] Sisad, H.; Mund, E.; Nielsen, P.,. e al., Displacemen venilaion in non- -indusrial premises, Guideboo No1. Brusel: REHA, 2002 [3] Chen, Q.; Glicsman, L., R.; Yuan, X. Models for predicion of emperaure difference and venilaion effeciveness wih displaceme venilaion, ASHRAE Transacions, 1998 [4] Mund, E., Convecive flow above common hea source in rooms wih displacemen venilaion, In: Proceedings of ROOMENT 90, Oslo, 1990 [5] Chen, Q.; Glicsman, L., R. ; Yuan, X., A criical review of displacemen venilaion, ASHRAE Transacions, 1998 [6] ČSN EN ISO 7730: 1997, Mírné epelné prosředí Sanovení PM a PPD a popis podmíne epelné pohody. Rose spořeba epelně-iolačních pěnových maeriálů Nejen nové savební předpisy a doace úsporných opaření sojí a rosoucí spořebou pěnových iolačních maeriálů pro epelnou iolaci saveb. Zdá se, že se lidé onečně naučili nevyhaova peníe onem. Spořeba expandovaného polysyrenu (PS-E či EPS) přeonala všechny reordy. Podle Plasics Europe bylo v roce 2008 v Evropě vyrobeno 1,8 mil. PS pro výrobu EPS u 1 000 výrobců, vyvářejících 65 000 pracovních mís. Odhaduje se, že v Evropě bylo EPS iolováno 200 mil. domů a podle BASF SE je v EU asi 30 % všech iolačních maeriálů, aložených na EPS používáno u nových budov, aímco 70 % jdenaúčerenovací. roce 2012 by se měl poměr měni na 25 % u 75 %. Na rhu se objevují i nové pěnové maeriály a áladem něerých nich, jao Climapor, je EPS pěnový polysyren Neopor. Němecá firma Saarpor vyrábí s použiím Neoporu apeu Climapor s vrsvou jádra 4 mm, na jedné sraně ašírovanou enou hliníovou fólií nebo aronovou vrsvou, schopnou povrchové úpravy. ýhodně se používá na vniřní iolace jao rcadla pro odrážení epla od radiáorů. Má epelnou vodivos λ 0,032 W.m -1 K -1 a řídu hořlavosi E podle DIN EN 13501 1. Šeří až 40 % energie vychlaených budov a 4 mm apea má sejný iolační účine jao e cihel louš y 85 mm, nebo 98 mm opuy či 262 mm beonu. Lepí se běžnými lepidly na pěnový polysyren. Poprvé byla předsavena 13. 16. ledna.r. na výsavě Heimexil 2010. Právě Neopor a Peripor (EPS), s epelnou vodivosí λ 0,033 W.m -1 K -1 při husoě 15 g.m -3, jsou energeicy výhodné maeriály. Spořeba primární energie na výrobu Neoporu a iolaci 80 m 2 obyné plochy, odpovídající asi 1000 lirům opného oleje, je ísána pě úsporou 1280 l oleje a emisí 4090 g CO 2 již během první opné seóny. Tisová informace BASF SE, Ludwigshafen, 5. 1. 2010 (AB) 189