Kurtyny powietrza – istota działania i oszczędność

WENTYLACJA I KLIMATYZACJA
Kurtyny powietrza
– istota działania i oszczędność energii
Maciej Danielak
Kurtyny powietrzne to urządzenia odgradzające środowisko wewnętrzne od zewnętrznego. Struga powietrza o dużym impulsie tworzy barierę pomiędzy strefami o różnych
wartościach temperatury, blokując wymianę masy między nimi.
Rolą kurtyny powietrznej jest stworzenie bariery ciśnieniowej zdolnej do skutecznego zabezpieczenia chronionego pomieszczenia przed
wdzieraniem się powietrza z zewnątrz, ewentualnie wydostawaniem się powietrza na zewnątrz,
co minimalizuje straty ciepła/chłodu wewnątrz
tego pomieszczenia.
Zasada działania
Otwarcie drzwi powoduje powstawanie niekontrolowanej infiltracji, czyli napływu i wypływu powietrza z pomieszczenia, co oznacza duże
straty energii w budynku (jeśli powietrze to podlegało procesom termodynamicznym). Chcąc
zminimalizować wymianę masy, a tym samym
stratę energii, należy uniezależnić obie strefy
od siebie za pomocą bariery. Skuteczną barierą jest kurtyna powietrzna o prawidłowo dobranych parametrach (prędkości wylotowej powietrza z kurtyny oraz strumienia masowego tego
powietrza).
Zasada doboru
Istotą działania kurtyny powietrznej jest wytworzenie siły zdolnej przeciwstawić się sile wdzierającego się powietrza zewnętrznego. Ponieważ
1. Zachowanie pędu na granicy stref
38 do pomieszczenia wdziera się tyle samo powietrza, co się z niego wydostaje, kurtyna może również przeciwdziałać wydostawaniu powietrza
z chronionego pomieszczenia.
Aby skutecznie zostało zahamowane napływające powietrze, pęd powietrza napływającego
musi być równy pędowi powietrza odgradzającego (zgodnie z zasadą zachowania pędu).
Pęd jest wielkością wektorową; kierunek i zwrot
pędu jest zgodny z kierunkiem i zwrotem prędkości.
Pęd jest równy iloczynowi masy m i prędkości
w punkcie.
P = m · w [kg · m/s] (1)
Jest to zależność liniowa, dlatego zwiększając
masę i zmniejszając prędkość można zachować wartość pędu. W praktyce oznacza to,
że aby poprawić skuteczność działania kurtyny
powietrznej, wystarczy zwiększyć albo prędkość
strumienia powietrza, albo jego masę lub oba te
czynniki jednocześnie.
Ważnym elementem jest długość kurtyny.
Szerokość wylotu strumienia powietrza z kurtyny powinna być większa od otworu drzwiowego, jaki ma za zadanie skutecznie zabezpieczyć.
By prawidłowo dobrać kurtynę, należy zwrócić uwagę na wiele czynników zewnętrznych,
takich jak:
⚫⚫wielkość otworu drzwi
⚫⚫liczba drzwi w budynku i ich rozmieszczenie
względem siebie,
⚫⚫konstrukcja budynku oraz usytuowanie względem stron świata,
⚫⚫zakładana różnica temperatury powietrza
zewnętrznego i wewnętrznego,
⚫⚫wysokość oraz szczelność budynku,
⚫⚫współpraca z systemem grzewczo-wnetylacyjnym w budynku.
Podział kurtyn
Podział kurtyn powietrznych w zależności od za­stosowania, przeznaczenia budynku lub dostępnych mediów, pokazano na rys. 2.
Pierwsze kurtyny powietrzne stosowane były
dla odgrodzenia pomieszczeń chłodniczych.
Wdzierające się powietrze zewnętrzne do chłodni powoduje szronienie się magazynowanych
opakowań. Istotą jest zatem zabezpieczenie
tego pomieszczenia przed wnikaniem powietrza wilgotnego, a nie, jak by się wydawało, tylko
ochrona przed utratą chłodu (energii).
Później zauważono również, że hale produkcyjne oraz budynki użyteczności publicznej –
biurowce, centra handlowe z powodu częstego otwierania drzwi i bram tracą dużą część
energii wraz z powietrzem kalorycznie obrobionym (ogrzanym lub schłodzonym). Zaczęto
więc stosować w tych budynkach ciepłe kurtyny powietrzne, które prócz wytwarzania lokal-
Kurtyny powietrzne
poziome
ciepłe
pionowe
dwustrumieniowe
wodne
zimne
elektryczne
2. Klasyfikacja kurtyn powietrznych
Polski Instalator 1/2013
Fot. autor
WENTYLACJA I KLIMATYZACJA
3. Szronienie w magazynach chłodniczych: a) kabina wejściowa do magazynu chłodniczego, b) ściana magazynu chłodniczego
4. Przeciwdziałanie wydostawania się ciepłego powietrza z budynku [1]
nego ciśnienia dynamicznego, również ogrzewają powietrze poprawiając lokalne warunki
komfortu termicznego.
Montowano je poziomo nad drzwiami/bramą.
Montaż poziomy jest najskuteczniejszym montażem pod względem aerodynamicznym. Struga
powietrza nawiewanego skutecznie przeciwdziała wydostawaniu się powietrza ciepłego z pomieszczenia, a tym samym wnikaniem
powietrza zimnego do środka.
Zgodnie z zasadą, do pomieszczenia napłynie
tyle powietrza, ile się z niego wydostanie. Z niekontrolowaną infiltracją można skutecznie walczyć, przeciwdziałając wydostawaniu się powietrza poprzez uszczelnienie budynku.
Wymagania dotyczące architektury zewnętrznej i wewnętrznej wciąż rosną, a więc i wymagania wobec wyglądu i miejsca mocowania
kurtyn powietrza. Na rynku pojawiły się zatem
również kurtyny pionowe, mimo iż ich skuteczność aerodynamiczna jest dużo mniejsza niż
kurtyn poziomych.
Ze względu na konieczny znaczny strumień
powietrza nawiewanego, moc grzewcza kurtyn
powietrznych musi być duża. Dlatego stosowanie wody kotłowej jako medium grzewczego jest
najwłaściwsze. W ostateczności można stosować
kurtyny elektryczne.
Skuteczność odgrodzenia
Na skuteczność odgrodzenia kurtyną powietrzną
ma wpływ wiele czynników. Zestawione zostały
one w tabeli 1.
Oszczędność energii
Otwarte drzwi wejściowe są przypadkiem referencyjnym. Tak długo, jak są otwarte, do wnętrza wdziera się chłodne powietrze z zewnątrz.
Gdy budynek jest szczelny, a wentylacja zrównoważona, to przepływ netto przez drzwi
równy jest 0. W górnej części wypływa ciepłe powietrze (strata energii), w dolnej części
napływa do pomieszczenia powietrze zimne.
Przepływy te mogą zostać dość dobrze opisane uproszczonymi wzorami. Opisują przepływ w dwóch kierunkach przez jeden otwór
o szerokości B, wysokości H i różnicy temperatury ∆T:
Maksymalna prędkość, [m/s]
5. Różne rozwiązania kurtyn powietrznych [1]
www.polskiinstalator.com.pl
w = 0, 6 20( H / 2) ·
max
∆T
273
39
WENTYLACJA I KLIMATYZACJA
Tabela 1 Zależności oddzielenia strefowego
Rodzaj
Parametr
pozycja w budynku
otoczenie
szerokość wejścia B
wysokość wejścia H
jakość wykonania
wejścia, drzwi obrotowe
automatyczne drzwi rozsuwane
położenie
geometria
właściwości budowlane
użytkowanie wejścia
zależności w budynku
regulacja parametrów wentylacyjnych przy wejściu
inne wejścia
możliwie niewiele
szczelność również na wyższych kondygnacjach
możliwie szczelny
dopasowanie systemu wentylacyjnego
nawiew = wywiew
Strumień powietrza w jednym kierunku, [m3/h]
•
V = 0, 2
10
·B·H
273
1, 5
· ∆T
0, 5
Strata ciepła, [W]
10
Q = 230
·B·H
273
Warunek skutecznego odgrodzenia
wejście nie na rogu
możliwie ochronione od wiatru
mniejsza (strata proporcjonalna do B)
mniejsza (strata proporcjonalna do H1,5)
możliwie szczelne
możliwie zawsze zamknięte
otwarte jedynie, gdy potrzeba
dopasowanie do innych zewnętrznych
parametrów
1, 5
· ∆T
1, 5
Wnioski wynikające z powyższych równań to:
⚫⚫prędkość powietrza zależna jest w pierwiastku
od wysokości i różnicy temperatury. Przy niewielkiej różnicy temperatury prędkość powietrza wzrasta w niewielkim stopniu. Im zimniej-
sze jednak jest powietrze, tym większy jest
negatywny wpływ na komfort termiczny;
⚫⚫strumień objętościowy V· jest liniowo zależny od szerokości, a od wysokości silniej niż
liniowo (H1,5). Zbyt wysokie wejście powoduje więc większe straty energii, niż wejście
zbyt szerokie.
⚫⚫straty ciepła Q są proporcjonalne do różnicy
temperatury (zależność T1,5). Dla niskiej temperatury zewnętrznej straty ciepła są wysokie.
W praktyce badania wielokrotnie wykazały,
że przez drzwi napływa jedynie zimne powietrze,
a ciepłe uchodzi z budynku przez nieszczelności
na wyższych kondygnacjach. W takich przypad-
kach straty ciepła są o wiele większe, gdyż różnica wysokości między otworem dolnym a górnym jest większa.
Wnioski
Wciąż rosnące ceny energii i rosnące wymagania dotyczące energooszczędności budynków wymuszają stosowanie rozwiązań techniczno-inżynieryjnych minimalizujących te
straty. Jednym ze sposobów przeciwdziałania niekontrolowanemu wypływowi ciepłego
powierza z pomieszczenia jest stosowanie kurtyn powietrznych. Ich wielkość oraz miejsce
montażu zależy od uwarunkowań architektonicznych. Zasadność ich stosowania jest bezsprzeczna, jednak skuteczność urządzenia zależy
od właściwego wymiarowania i doboru parametrów pracy.
■
Literatura
[1] Materiały firmy Kampmann
[2] Alois Schälin, Gebäudeeingänge mit grossem Publikums­
verkehr, 1998
O AUTORACH
dr inż. Maciej Danielak
– Kierownik Działu Sprzedaży
Kampmann
6. Zależność strat energii dla otworów o szerokości 1 m
40 Polski Instalator 1/2013