Wentylacja i klimatyzacja ja

Wentylacja i klimatyzacja
Mgr inż. Andrzej Jurkiewicz
Definicje
• Zadaniem wentylacji jest wymiana powietrza, w taki
sposób i w takich ilościach, aby nie dopuścić do
pogorszenia się warunków mikroklimatu, a zwłaszcza
przekroczenia dopuszczalnych stężeń zanieczyszczeń
powietrza (temperatura, wilgotność i zanieczyszczenia)
• Klimatyzacja – to, w odróżnieniu od wentylacji, proces
nadawania powietrzu w pomieszczeniu określonych
właściwości pożądanych ze względów higienicznych dla
uzyskania komfortu lub też parametrów wymaganych ze
względów technologicznych (oczyszczanie, nawilżanie,
osuszanie, podgrzewanie i schładzanie).
• Klimatyzacja częściowa np. samochodowa
• Przemysłowe instalacje klimatyzacyjne (technologia)
• Bytowe instalacje klimatyzacyjne (człowiek)
Klimatyzacja - komfort czy konieczność
Mikroklimat w pomieszczeniu
•
•
•
•
Temperatura powietrza
Wilgotność względna powietrza
Prędkość powietrza nawiewanego
Średnia temperatura przegród
budowlanych
• Poziom oświetlenia i hałasu
• Koncentracja zanieczyszczeń
chemicznych i mikrobiologicznych
Czynniki wpływające na mikroklimat
• Klimat zewnętrzny (temperatura, wilgotność, wiatr, słońce)
• Procesy technologiczne w pomieszczeniu (ciepło
dodatkowe, zanieczyszczenia)
• Obecność ludzi i zwierząt (wilgoć, zanieczyszczenia,
zapach, ciepło)
• Właściwości przegród budowlanych (oddzielenie od klimatu
zewnętrznego: temperatura, wilgotność, nasłonecznienie)
• Wentylacja (usuwanie zanieczyszczeń i dostarczanie
świeżego powietrza,recyrkulacja)
• Rodzaj (metoda) ogrzewania lub klimatyzacji
• Oświetlenie (dzienne, sztuczne, mieszane)
• Izolacja akustyczna od hałasów zewnętrznych i emisja
hałasu przez urządzenia i instalacje wewnętrzne
Rys historyczny
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Pszczoły
Termity w Afryce i Australii (N-S + kanały powietrzne)
Ogrzewanie podłogowe w Cesarstwie Rzymskim
1770 – ogrzewanie parowe James Watt
1880 – grzejnik żeliwny
1859 – grzejnik elektryczny w USA
1904 – Drezno msc (muzea, teatry i zamek)
1902 – instalacja klimatyzacyjna W.H. Carrier drukarni w
Brooklinie (nazwa „Air Conditioning” do dziś)
1914 – klima dla wcześniaków w szpitalu Pittsburg
1925 – klima dla widowni teatr Rivoli na Bruklinie
1930 – klima w wagonie restauracyjnym kolei żelaznej
Baltimor – Ohio
1935 – klima na parowcu Normandie
200? – budynek 450 m w Kuala Lumpur Malezja o mocy
100 MW
Wymagania ludzi
• Temperatura powietrza i jej równomierny
rozkład (zalecenie: Tkomf=Tpow - 5K)
• Wilgotność powietrza (35-65%)
• Ruch powietrza (0,2-0,5 m/s)
• Temperatura przegród otoczenia (+/-3K)
• Czystość powietrza (NDS)
• Obciążenie hałasem (dB)
Wymagania „przemysłowe”
Subiektywne odczucie komfortu
•
•
•
•
•
•
•
Aktywność fizyczna
Ubranie
Wiek i płeć
Stan zdrowia
Wystrój pokoju
Pora dnia i roku
Temperatura, wilgotność, prędkość
powietrza, temperatura powierzchni
Budynki po termomdernizacji – 10.000 mieszkańców
40,1%
za ciepło
za chłodno
18,6%
27,9%
za sucho
46,3%
za wilgotno
zaduch
56,8%
23,4%
światło
hałas
29,3%
0%
20%
40%
60%
Człowiek – urządzenie
klimatyzacyjne
Strumień cieplny: 80, 120, 150, 190, >270 W
Konwekcja, promieniowanie, parowanie
(pocenie się > 35st.C)
Szok temperaturowy – (samochód)
Maks φ = 65%; x=11,5 g H20/kg
Min φ = 35%)
Nawiewnik: 40-70%
Inne parametry
-
0,2-0,5 m/s prędkość powietrza
> 40 lat +1K
Kobiety + 1K
3-6K poniżej temp. w pomieszczeniu
Temperatura przegród (niskapromieniujemy; wysoka-pocimy się):+/- 3K
Zanieczyszczenia
• Czystość powietrza nawiewanego
(recyrkulacja dopuszczalna)
• Gazy i pary (CO, CO2, SO2, NOx, O3,
radon, węglowodory i inne)
• Zapachy (ludzie, zwierzęta, kapuśniak,
ubikacja, materiały budowlane, meble)
• Aerozole (pyły nieorganiczne)
• Zarazki, grzyby, i zarodniki grzybów,
alergeny
Atmosfera
Skład czystego suchego powietrza:
• Azot (N2) – 75,5%
• Tlen (O2) – 23,1%
• Argon (Ar) – 1,29%
• Dwutlenek węgla (CO2) – 0,04%
• Pozostałe gazy (wodór, neon, hel, krypton i ksenon) w
ilościach śladowych
.
Powietrze wilgotne: suche + para wodna (od 0,08 do 2,5%
składu)
Zanieczyszczenia cywilizacyjne (wulkany!!!):
dwutlenek węgla
dwutlenek siarki, siarkowodór, tlenki azotu, tlenek węgla,
tlenki ołowiu, różnorodne pyły.
Właściwości powietrza suchego
Temperatura
Θ
Gęstość
ρ
Ciepło właściwe
cp
Współczynnik
przewodzenia ciepła
λ
[C]
[kg/m3]
[kJ/(kg*K)]
[W/m*K]
- 30
- 10
0
+ 10
+ 20
+ 50
+100
+140
1,453
1,342
1,293
1,247
1,205
1,093
0,946
0,854
1,013
1,009
1,005
1,005
1,005
1,005
1,009
1,013
0,0204
0,0228
0,0244
0,0251
0,0259
0,0283
0,0321
0,0349
Wzory i definicje
Gaz doskonały: p*V/T = m*R
p – ciśnienie bezwzględne powietrza
wilgotnego
V – j.w. lecz objętość
R – idealna stała gazowa
T – temperatura absolutna powietrza
Definicje c.d.
• Ciśnienie powietrza wilgotnego p składa się
ciśnienia cząsteczkowego powietrza suchego pp
oraz ciśnienia cząsteczkowego pary wodnej pw:
p = pp + pw
• Powietrze wilgotne może być:
- nienasycone, gdy para zawarta w powietrzu jest
tzw. parą przegrzaną (para sucha nienasycona)
- nasyconą, gdy para zawarta w powietrzu jest
parą suchą nasyconą (ciśnienie nasycenia ps)
- zamglone, gdy powietrze zawiera cząsteczki
wody w postaci pary wilgotnej
Definicje c.d.
• Podczas przemian cieplno-wilgotnościowych masa
powietrza suchego (mp) nie ulega zmianie, natomiast
masa wilgoci (mw) może się zmieniać (nawilżanie lub
osuszanie powietrza). Może także ulec zmianie stan
skupienia wilgoci (parowanie lub kondensacja).
• Podstawową wielkością charakteryzującą stan powietrza
wilgotnego jest zawartość wilgoci w powietrzu, zwana
wilgotnością właściwą (x):
x = mw/mp
gdzie:
- mw – masa wody;
- mp – masa powietrza suchego
Inne wzory
pw/pp=Rw/Rp = 0,662
Vp=Vw (w mieszaninie gazów wszystkie gazy
mają jednakową objętość)
X=0,622 pw/pp
φ=pw/ps - wilgotność względna (ps-ciśnienie nasycenia)
φ=ρw/ρs – stosunek gęstości pow. wilgot. do nasyconego
Termometr suchy – ciepło jawne (zmiana temperatury)
Entalpia wody = ciepło jawne + ciepło utajone
KRYSZTAŁ
faza
WODA
faza
PARA
T [K]
127C=400K
400
100C=373K
2k
373
100C
4,1
9k
J/k
g*K
2256 kJ/kg
*K
g
k
J/
0C=273K
273
73
-200C
273K
*K 333kJ/kg
g
/k
J
1k
,
2
420
753
kJ/kg
1172
3428
Entalpia wody kJ/kg
Q=2,1*200+333+4,19*100+2256+27*2
3582
Entalpia
Pojemność cieplna (entalpia właściwa h)
hps= 1,006 [kJ/kg*K]*∆Θ [Κ] - pow.suche
hw = 1,86 [kJ/kg*K]*∆Θ [Κ] + 2501,6 [kJ/kg]
– para wodna
Cp = 2501,6 kJ/kg –ciepło parowania wody
w temp. 0 st.C)
hp=hps+x*hw – entalpia powietrza wilgotnego
Zmiany stanu powietrza wilgotnego
•
•
•
•
•
Mieszanie
Podgrzewanie
Schładzanie
Osuszanie
Nawilżanie
+ (filtrowanie + wymuszanie przepływu)
Opis stanu powietrza
1)
2)
3)
4)
5)
6)
Ciśnienie stałe np.: p=1013 [hPa]
x – zawartość wody w powietrzu [g/kg suchego]
h – entalpia kJ/kg powietrza wilgotnego
θ – temperatura powietrza suchego
φ – wilgotność względna
Punkt rosy (temp. Punktu rosy φ=100%)
Masowy strumień powietrza (suchego i w
przybliżeniu wilgotnego):
mp=V*ρ/(1+x) (kg/h; kg/s)
Blokowy schemat
• Mieszanie, ogrzewanie, schładzanie,
nawilżanie, ogrzewanie wtórne
świeże
ogrz.I
wtórne
sch
nawilż ogrz.II
Mieszanie
• Idea mieszania została przedstawiona na rys.1. Punkty
nr 1 i 2 są punktami stanu powietrza przed zmieszaniem.
Zasada mieszania strumieni polega na znalezieniu na
odcinku łączącym oba punkty, punktu M - punktu
zmieszania poprzez podzielenie odcinka w proporcji
odwrotnej do udziału strumieni składowych.
Wspomnianą zależność można również przedstawić za
pomocą zapisu matematycznego w postaci:
Mieszanie - wykres
Przykład
1) Strumień 2000 m3/h o temp. t1=4C
φ=80%, ogrzać do temp. t2=15C. Jaka
musi być moc nagrzewnicy
Ogrzewanie
Rozwiązanie
∆ h = h2-h1 = 25-14 = 11 kJ/kg
Mp= Vp*ρ =
2000[m3/h]*1,26[kg/m3]/3600[s/h] =
=0,7kg/s
Qh = Mp*∆h = 0,7 kg/s*11kJ/kg = 7,7 kW
Chłodzenie i osuszanie
zadanie
4000 m3/h o parametrach ta=30C φ=40%
doprowadzić do tz=18C i xz=7g/kg, gdy
temp. parowania czynnika chłodniczego
w chłodnicy klimatyzatora wynosi to=5C.
Wyliczyć:
1) Moc chłodnicy (wydajność chłodnicza)
2) Moc nagrzewnicy wtórnej
3) Do jakiej temperatury t2 zostanie
schłodzone powietrze w chłodnicy